气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:福建农林大学科技创新基金()福建农林大学高峰学科项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./文国卫黄秋良吕增伟赖文峰施晨阳朱晓如蒋天雨张国防.气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析.生态学报():.():.气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性分析文国卫黄秋良吕增伟赖文峰施晨阳朱晓如蒋天雨张国防福建农林大学林学院福州 摘要:木荷()是中国南方常见的速生阔叶耐火树种之一在生态修复和维持环境稳定方面具有重要作用因而预测其潜在适生区变化具有重要意义 基于 模型结合 条木荷在中国的有效分布记录和筛选后的 个生物气候变量预测木荷现代和
2、 年 种气候排放浓度情景下木荷的潜在分布区 模型的可靠性以受试者工作特征曲线来判断综合气候因子的贡献率、置换重要值和刀切法检验来分析并探讨制约木荷地理分布的重要气候因子 结果表明:()模型训练和测试数据的 值分别为.和.表明模型的预测精度极高()现代木荷潜在地理分布的总适生区面积.占中国国土面积的.主要位于在中国长江以南的大部分地区包括福建、浙江、台湾、江西、湖南、广东、海南、广西、贵州、云南、重庆以及四川、河南和安徽部分区域()制约木荷潜在地理分布的重要生物气候因子为降水因子(最干月降水量 、年降水量 和最湿季降水量 )和温度因子(气温年变化.)()使用 模型模拟的木荷适生区面积大于其实际分
3、布面积暗示着木荷人工林在未来有较大的发展潜力本研究结果可为木荷种质资源收集和人工林种植奠定理论基础对维持区域性生态系统安全和稳定、缓解气候变化和 年实现碳中和目标具有战略性意义关键词:木荷 模型气候变化潜在适生区生态适宜性 :.:().().:/.().().:气候变化和全球变暖是全世界重点关注的问题也是当今社会讨论最多的问题之一对物种的分布格局造成了巨大影响 自第一次工业革命以来人类对化石能源的使用量日益增加和森林面积的大幅减少导致大气层 含量逐年递增浓度上升了近 使气候变暖的趋势愈发明显 现如今为应对气候变化带来的负面影响中国政府已宣布将于 年达到全国碳排放峰值、年实现碳中和的目标 其中植
4、树造林不仅能够满足人类社会对林产品的市场需求也增加了森林的覆盖率并提高了森林对 的吸收是实现碳中和不可或缺的重要途径 因此在未来研究主要造林树种的潜在适生区分布格局变化将有助于我们制定更有效的营林措施以提高碳汇成效是全球气候变化背景下实现碳中和愿景的有效手段之一生态位模型()对物种的潜在适生区变化有较好预测常用于模拟物种的生态位 目前生态位模型主要有:最大熵模型()、模型、规则集遗传算法模型()、广义线性模型()和随机森林()等 其中 模型采用最大熵来推算物种的潜在地理分布具有失真小、稳定性好和操作简单等优势已成为使用次数最多的生态位模型之一 另外正是由于 模型能够对物种的未来潜在地理分布区进
5、行准确预测并实现物种适生区空间格局变化的可视化已被国内外研究者广泛应用于珍稀濒危动植物保护、入侵物种的治理和预防、病虫害防治和物种的潜在分布区探索等方面木荷()为山茶科()木荷属()的常绿阔叶高大乔木是中国南方广泛分布的速生用材树种之一也是亚热带森林中重要的耐火树种之一 在经济价值方面木荷树干通直、材质坚硬、耐腐耐磨、纹理优美是制作地板、高档家具和雕刻木雕等优良用材 其次木荷茎叶提取液具有杀虫和抑菌活性的功效可作为杀虫剂的补充和替代药物主成分 在生态价值方面木荷落叶分解快、养分含量高对林地土壤起改良增肥作用 在社会价值方面木荷因花开白色新叶和秋叶绚丽多彩是很好的园林绿化树种可应用于城市道路两侧
6、、公园、庭院等方面 目前关于木荷的研究主要集中遗传改良、群落演替、凋落物分解、混交林种植和根系等方面 然而上述均未系统的研究气候变量与木荷分布格局之间关系但在未来不同的气候排放情景下木荷潜在地理分布将如何变化以及影响木荷地理分布的主导气候变量也尚未清楚通过木荷分布点数据和生物气候变量利用 模型模拟现代(年)和未来时间段(年)在低浓度(.温室气体排放较低)、中浓度(.温室气体排放一般)和高浓度(.温室气体排放浓度较高)种气候情景下木荷的潜在适生区并通过 进行可视化处理进一步探讨影响木荷在未来全球气候变化下地理变迁的关键因素旨在了解气候变量对木荷潜在地理分布的制约机制为木荷种质资源的高效利用提供科
7、学依据生 态 学 报 卷:/.材料与方法.木荷分布点收集与整理通过检索全球物种多样性信息库(:/.)、中国植物图像库(:/.)、国家标本平台(:/.)、中国数字植物标本馆(:/.)分别获得样本记录 条、条、条和 条共计 条又查阅中国知网(:/.)关于木荷相关的文献搜集到分布点 条 本研究对只记录有地点名称却缺少准确经纬度坐标的标本通过经纬度查询(:/./)输入地点名称来确定经纬度 此外为降低群集效应所产生的误差将获取的分布点以物种名、经度、纬度和地点整理成 格式文件导入 .中进行缓冲区分析以 范围内的多个样本点只保留一个分布点的原则最终得到 个有效分布记录(图)图 木荷的分布点数据.生物气候因
8、子数据获取与筛选研究所用的当前(年)和未来(年)的 个生物气候变量均来源于世界气候数据库(:/.)数据空间分辨率为.其中 个气候变量分别为年均温()、平间日较差()、等温性()、温度季节变动系数()、最热月最高气温()、最冷月最低气温()、温度年较差()、最湿季度平均气温()、最干季度平均气温()、最暖季度平均气温()、最冷季度平均气温()、年降水量()、最湿月降水量()、最干月降水量()、降水量季节性变化()、最湿季度降水量()、最干季度降水量()、最暖季度降水量()、最冷季度降水量()未来生物气候变量数据为第六次国际耦合模式比较计 期 文国卫 等:气候变化情境下木荷潜在地理分布及生态适宜性
9、分析:/.划()的 气候模式包括共享社会经济路径()和代表性浓度路径()本研究在.()、.()和.()种典型浓度排放情景下对木荷未来潜在适生区进行模拟 其中 是可持续发展途径代表温室气体排放浓度处于低水平 是一般发展途径代表温室气体排放浓度处于中等水平而 是以化石燃料利用为主的发展途径代表温室气体排放浓度处于高水平研究所使用的 的中国国界和省界行政区划图来源于国家基础地理信息中心(:/./)以中国行政区划矢量地图为底图将 个生物气候栅格数据添加到 .中进行掩膜提取并转换为 模型可用的 格式备用 为了避免 个生物气候变量引起多重共线性而导致模型过度拟合参照张华的方法对生物气候变量进行筛选 筛选方
10、法为将 个现代生物气候变量和筛选后的木荷分布点数据导入 软件中每次运行后剔除结果中贡献率小于 的气候变量共运行 次最终筛选出 个气候变量(表)累计贡献率大于 用于木荷潜在适生区面积分布的预测 其中筛选后的 个气候变量依次为昼夜温差月均值()、最冷月最低气温()、气温年变化范围()、最湿季平均气温()、年降水量()、最干月降水量()、最湿季降水量()和最暖季降水量().数据处理与分析把筛选后的木荷分布点和 个气候变量数据导入 .中随机选取 分布点数据作为训练集作为测试集并使用交叉验证方法()重复 次最大背景点数量为 个最大迭代次数为 次其余为默认设置最终输出 格式的结果文件 然后挑选出结果中的平
11、均值 格式文件导入.软件中利用空间分析工具()中的重分类命令()利用自然间断点分级法()将适宜度分为 个等级分别为非适生区(.)、低适生区(.)、一般适生区(.)、最佳适生区(.)从而确定木荷的潜在适生区分布情况贡献率()是通过持续修正单一要素的系数并以百分比的形式给出其决定某一个气候变量对该物种的贡献大小置换重要值()是测定随机置换训练点集上环境变量的数值归一化后也以百分比表示 气候变量的贡献率和置换重要值越大说明该气候变量对物种的潜在地理分布起的作用也就越重要 刀切法()检验则是依次使用和排除某一变量来建立新的模型并通过比较模型间正则化训练增益()、测试增益()和 值的差异来衡量生物气候变
12、量的重要性 通过 模拟结果的贡献率、置换重要值和刀切法来评价影响物种分布的主导气候变量并分析生物气候变量在制约木荷现代地理分布格局中的重要性根据受试者工作特征曲线()的 值()来判断模型预测的准确度 值是评价预测结果可靠的重要指标 值范围在 到 之间值越大表明预测结果的准确性就越好 若 值小于.表明模拟结果失败.预测结果较差.预测结果一般.预测结果准确若大于.则表明预测结果极为准确可以较精准地反映出物种潜在分布范围 结果与分析.模型模拟精度评价根据木荷分布点数据和 个气候变量(表)应用 模型进行模拟获得训练数据(红线)和测试数据(蓝线)的受试者工作曲线(曲线)和 曲线下的面积(值)用来验证分布
13、点数据对模型的契合度(图)如图本研究重复 次得到训练数据的 值为.测试数据的 值为.表明采用 模型预测木荷潜在适生区范围有很高的可信度.影响木荷分布的主导气候变量气候变量对木荷适生区分布的影响主要通过贡献率、置换重要值和 检验结果三个指标来进行生 态 学 报 卷:/.图 模型对木荷的 曲线预测结果.:曲线下面积值 :受试者工作特征曲线 综合评价 从贡献率来看排前三位的气候变量依次是:最干月降水量(.)、年降水量(.)、气温年变化范围(.)累计贡献率为.(表)表明此三个气候变量对木荷的地理分布有重要影响 从置换重要值来看排前三位的气候变量依次是:气温年变化范围(.)、最暖季降水量(.)、最干月降
14、水量(.)累计贡献率为.(表)也表明了气温年变化范围和最干月降水量是影响木荷的地理分布的关键气候变量 从刀切法检验结果来看(图)正则化训练增益、测试增益和 值的仅此变量排前三位的气候变量均为最湿季降水量()、年降水量()、最暖季降水量()表明降水变量是影响木荷地理分布的主要气候限制因素 综上降水因子变量(年降水量、最干月降水量、最湿季降水量)和温度因子变量(气温年变化范围)是影响现代木荷潜在地理分布的主导生物气候变量表 主导气候变量评价 变量指标 贡献率/置换重要值/变量指标 贡献率/置换重要值/.:昼夜温差月均值 :最冷月最低气温 :气温年变化范围 :最湿季平均气温 :年降水量 :最干月降水
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